宫永伟 张贤巍, 翟丹丹 王建龙 王文海 师洪洪

(1.北京建筑大学城市雨水系统与水环境教育部重点实验室，北京 100044；2.北京未来城市设计高精尖创新中心，北京 100044；3.中国水环境集团有限公司，北京 101101)

我国在海绵城市试点建设进程中建设了一批简单式绿色屋顶(以下简称“绿色屋顶”)。绿色屋顶可以削减降雨径流量和迟滞峰值流量，是一种控制屋面雨水径流的有效方式[1]，在城市雨洪管理中发挥重要作用。翟丹丹等研究发现，基质厚度为50 mm的绿色屋顶对雨水径流可以起到一定的滞留作用，对于5年一遇降雨事件，雨水径流削减率为15.3%～40.0%，延缓产流时间为7～21 min，峰值削减率为18.0%～62.3%[2]。然而，绿色屋顶出流的水质状况一直饱受争议。BERNDTSSON[3]认为绿色屋顶对重金属有较好的去除效果，TEEMUSK等[4]发现绿色屋顶对无机盐类的去除效果十分可观，对TN和氨氮的去除效果优于TP和硝态氮；但也有研究认为绿色屋顶是污染物的释放源。为此，本研究对绿色屋顶装置和混凝土屋面装置的降雨径流水质进行了监测，分析了各装置出流的污染物浓度和负荷，并研究了不同因素对雨水径流水质的影响规律。

1 材料与方法

1.1 实验装置

实验场地位于北京建筑大学大兴校区雨水实验室楼顶，当地年均气温约12 ℃，年均降雨量626 mm。设计了5个绿色屋顶装置(编号G1～G5)和1个混凝土屋面装置(CK)作为对照。实验装置设1%的坡度，平面尺寸为50 cm×50 cm，过滤层为250 g/m2的透水土工布，排水层材料为塑料凹凸排水板，底部设有两个排水口(见图1)。实验使用3种种植基质，分别为田园土(来自农田)、超轻量基质(市售专用屋顶绿化基质)、改良土(田园土∶草炭∶松针土∶珍珠岩按1∶1∶1∶1的质量比配制而成)。植被层选用佛甲草、红叶景天和费菜3种耐寒、耐旱、耐盐碱、耐瘠的景天科植物；径流水样使用自制重力流自动采样器进行采集。各绿色屋顶装置的种植基质及植被设计见表1。

图1 绿色屋顶实验装置Fig.1 Green roof experimental device

表1 实验装置设计

1.2 降雨监测与模拟实验

于2015年8月4日至10月12日进行天然降雨监测，对装置出水取样并检测总有机碳(TOC)、TN、氨氮、TP和Zn浓度。由于监测期内天然降雨场次较少且降雨量偏小，绿色屋顶装置仅在9月4日降雨事件中出流较多，具有代表性，记为事件1。额外采用北京地区重现期分别为3年和5年的2 h设计降雨事件进行了两场模拟降雨实验，分别记为事件2、事件3。模拟降雨进水为自来水，降雨前取进水水样，检测各项指标本底浓度。3次降雨事件的降雨特征见表2。

表2 各降雨事件的降雨特征

2 结果与讨论

2.1 绿色屋顶对屋面雨水径流浓度的影响

各实验装置雨水径流中的TOC、TN、氨氮、TP和Zn质量浓度见图2。从平均浓度来看，3次降雨事件中，CK雨水径流TOC、Zn浓度显著高于进水浓度，TN、氨氮略高于进水，TP低于进水，说明大气颗粒沉降会使屋面雨水径流TOC及Zn含量增加，而对TN、氨氮浓度影响相对较小。G1～G5装置雨水径流TOC浓度远高于进水和CK，说明绿色屋顶存在严重有机质溶出现象，可能是种植基质渗漏和植物死亡过程中释放的污染物质所致[5]。各装置雨水径流TN和氨氮在降雨事件1、事件2中浓度高于进水和CK，而降雨事件3中，G1、G3、G4雨水径流的TN浓度低于CK，G1、G5的氨氮浓度低于CK，这可能与土壤类型、施肥情况和运行年限等因素相关。

绿色屋顶可能存在磷的淋溶，雨水径流中TP平均浓度显著高于进水和CK(事件3的G5除外)，结合实验分析及BERNDTSSON等[6]研究，认为绿色屋顶应为TP的释放源，其富含大量营养成分是TP的重要来源。天然雨水中磷浓度很低，而基质中富含植物生长所需要的含磷物质，含磷物质主要以溶解态的形式存在，降雨时随径流一并排出，导致绿色屋顶雨水径流TP浓度高于进水和普通混凝土屋面。

CK装置初期雨水径流Zn浓度较高，这是由于降雨前屋面上会富集少量Zn，导致径流初期Zn浓度高，屋面累积的Zn被屋面雨水径流快速带走，之后Zn浓度大幅降低，这种重金属出流情形常见于降雨量大、前期降雨强度高的降雨事件中[7]，VIJAYARAGHAVAN等[8]在研究屋顶雨水径流中多种金属离子的浓度时同样发现降雨初期大部分金属离子浓度非常高，而后逐渐降低。而5种绿色屋顶初期雨水径流Zn平均浓度又比CK高3～12倍，说明Zn在土壤基质表面附着能力强于混凝土。

2.2 绿色屋顶对雨水径流污染负荷的影响

进水及CK装置雨水径流各项指标的污染负荷见表3，5种绿色屋顶装置雨水径流各项指标的污染负荷及负荷削减率见表4。可以看出，对于TN和氨氮，虽然绿色屋顶雨水径流中污染物浓度较高，但由于其对雨水径流量有一定的削减效果(G1～G5在2场模拟降雨下对雨水径流量的削减率为34.1%～41.9%)，使得TN和氨氮的负荷总体比CK低。绿色屋顶对TN负荷削减效果较好，对其他污染物负荷削减效果不稳定，从负荷削减的角度看，绿色屋顶不是TN、氨氮的释放源。

注：图中TR表示进水。图2 雨水径流及进水中TOC、TN、氨氮、TP和Zn的质量浓度Fig.2 TOC,TN,ammonia nitrogen,TP,and zinc mass concentration in rainfall runoff and influent

表3 进水与CK的污染物负荷分析

5个绿色屋顶装置的TOC、TP负荷分别是CK的4.5、2.3倍，因此绿色屋顶表现为TOC和TP的释放源。雨水与植被层、基质层接触携带大量含碳有机物流出，导致TOC负荷大幅升高，受基质中磷营养物质溶出或者植物枯萎分解的影响，绿色屋顶TP负荷较CK有所升高。TOC负荷显著大于CK，说明TOC主要源于绿色屋顶。

表4 绿色屋顶污染物负荷及削减率分析

绿色屋顶雨水径流的Zn平均浓度和负荷均高于进水和CK。由于绿色屋顶本身不会产生Zn，其应该来源于雨水对屋顶表面沉积物的冲刷。SPEAK等[9]发现绿色屋顶雨水径流中重金属离子的浓度比普通屋顶高，潜在污染源包括道路沉积物以及部分区域高度污染的表层土受风的影响吹至屋面。

2.3 影响因素分析

对G1～G3雨水径流中各项污染物浓度进行方差分析，结果显示不同种植基质对TOC和TN浓度具有非常显著的影响(P<0.01)，对氨氮浓度有显著影响(P<0.05)。G2选用的改良土含有大量草炭营养物质，导致TOC浓度和负荷较高。G2雨水径流中TN浓度显著高于G1，这可能是因为改良土比田园土的含氮量高，选用改良土的装置会产生较大浓度的氮素营养物质释放，造成TN和氨氮浓度较高。

3种种植基质材料中，超轻量基质的水质情况最好，但其具有疏松多孔、抗风性差的缺点，植被易受到干旱胁迫出现植物覆盖度、存活率低的问题，且超轻量基质容重小质量轻，起风时容易被吹飞，产生颗粒扬尘污染大气环境。田园土容重大，孔隙率低，水量滞留能力一般，基质内营养物质不多，植物生长状况一般，在实例工程中，绿色屋顶的运用还需考虑承重问题，因此田园土不宜作为屋顶绿化的首选基质。通过一定比例配制的改良土雨水滞留效果好，比田园土富含更多植物所需营养物质，土壤肥沃，植物长势较好，但会导致产流污染物浓度较大。本课题组前期研究还发现，改良土在雨水径流滞留、峰值削减、延峰时间方面有较好的运用效果，所以绿色屋顶基质材料没有最优选择，需因地制宜挑选种植基质。

对G2、G4、G5雨水径流中各项污染物浓度进行方差分析，结果显示植被类型对绿色屋顶TOC、TN、氨氮、TP及Zn均无显著影响(P>0.05)，植被类型与绿色屋顶雨水径流的污染物浓度无明显相关性。从污染物负荷角度分析，G2、G4、G5污染物负荷同样无显著规律性变化，因此植被类型对绿色屋顶雨水径流净化能力无明显影响。

利用方差分析研究重现期对绿色屋顶雨水径流中TOC、TN、氨氮、TP浓度的影响。结果显示，降雨重现期对TOC和TN浓度具有非常显著的影响(P<0.01)，重现期与TOC、TN浓度呈负相关，重现期越大则TOC和TN浓度越小。长历时低雨强事件中(事件1)，雨水径流入渗基质层后与土壤基质充分接触，携带大量氮素流出，故产流中TN浓度较高。高重现期短历时降雨事件下(事件3)，雨水径流入渗基质后无充足时间与基质接触即从排水层流出，因而绿色屋顶TN浓度与进水及CK的浓度十分相近。对比3场降雨各装置产流的TP浓度特征，除G4外，TP浓度与降雨强度负相关，这与GREGOIRE等[10]研究结果类似，而氨氮浓度与降雨特征无显著性相关。

3 结 论

(1) 从污染物平均浓度的角度看，绿色屋顶降雨径流TOC、TN、氨氮、TP和Zn的浓度均较高。

(2) 从污染物负荷的角度看，由于绿色屋顶对降雨的截留作用可以削减部分TN和氨氮负荷，具有一定的减污效果，但TOC、TP和Zn负荷仍然增大。

(3) 种植基质对绿色屋顶雨水径流中TOC、TN和氨氮浓度有显著影响，对TP和Zn无显著影响，植被类型对各项指标都无显著影响，不同降雨特征对雨水径流污染物浓度影响较大。